Розділ 2. Методики експерименту
В процесі росту кристалiв, а також при подальшій їх механічній обробці,
хімічному травленні, iонному легуванні та вiдпалі, виникають рiзного типу
дефекти кристалiчної будови. Тому одним із головних завдань Х-променевої
дифрактометрiї є визначення характеру спотворень поверхневого кристалiчного
шару. Тут можуть спостерігатись дефекти пакування, дислокацiйнi петлi,
скупчення вакансiй мiжвузольних атомiв та iн. Тому вивчення розміщення атомiв
рiзного типу в тонких приповерхневих шарах кристалу, а також дослiдження
рiзноманiтностi структурних фазових переходiв в цьому шарi в останній час стало
одним з найбільш цiкавих напрямкiв фiзики твердого тiла. Взаємодiя атомiв, що
лежать на поверхнi, зв'язана як з чисто електронними властивостями
адсорбованого атому i кристалу, так i з локальною деформацiєю декiлькох атомних
шарiв, що лежать поблизу поверхнi. Цi деформацiї нерiдко складають всього сотi
долi мiжатомної вiдстанi, але вони виявляються iстотними для вивчення характеру
мiжатомної взаємодiї в приповерхневому шарi. Для того, щоб отримати повну уяву
про змiни, які відбуваються в приповерхневому шарi, необхiдно використовувати
декiлька незалежних методiв, якi грунтуються на рiзноманiтних фiзичних явищах
[24-34].
На даний час розроблена значна кiлькiсть нових Х-променеводифракцiйних методiв
і схем, що мають чутливiсть до порушень в тонких шарах на два, три порядки
бiльшу, нiж традицiйнi методи. До них вiдносяться: метод асимптотичної
брегiвської дифракцiї [83], дифракцiя Х-променів в умовах повного зовнiшнього
вiдбивання [84], метод стоячих Х-променевих хвиль [85] та iн. Цi методи широко
використовуються як в фундаментальних дослiдженнях, так i в процесi
виготовлення напiвпровiдникових приладiв і становлять основу Х-променевої
дифрактометрiї тонких приповерхневих шарiв.
2.1. Схема косонесиметричної геометрії дифракції на відбивання
Надiйним методом визначення змiн структури приповерхневого шару з глибиною є
вимiр кривої дифракційного вiдбивання в процесi пошарового травлення. У випадку
аналiзу залежностi структури порушеного шару вiд iнтенсивностi механiчної
обробки поверхнi кристалiв аналізується серiя кривих гойдання, коли загальнi
риси профiлю деформацiї вiдомi i необхiдно визначити лише змiни окремих
деталей. Основним недолiком даного пiдходу до розв’язання проблеми є руйнування
об'єкту в процесi травлення. Тому бiльш доцільно, з точки зору неруйнуючого
пошарового аналiзу структурних змiн у приповерхневих шарах, використовувати для
цiєї мети косонесиметричну схему дифракцiї на вiдбивання з подальшим
азимутальним скануванням зразка навколо вектора дифракцiї.
Косонесиметрична схема дифракцiї (Рис.2.1) в ковзаючiй геометрiї на відбивання
вiдкриває широкі можливостi Х-променевого селективного пошарового дослiдження
структури приповерхневих шарiв.
Рис.2.1 Експериментальна схема косонесиметричної геометрії топографії. Д –
джерело Х-променів, Щ –набір колімуючих щілин, П-плівка, К – кристал.
На відміну від традиційних – симетричної та асиметричної, в даній схемі вектор
нормалі до вхідної поверхні не лежить в площині розсіяння і реалізується
плавний перехід від дифракції Лауе до дифракції Брега азимутальним скануванням
через область кутів повного зовнішнього відбивання икр., при використанні
асиметричних кристалографічних відбивань від площин, кут розорієнтації яких з
вхідною поверхнею кристалу незначно більший брегівського кута (). Схематично це
зображено на рис.2.2, де вказана зміна області азимутальних кутів повороту ц
при обертанні кристалу навколо вектора дифракції.
По аналогії з випадком багатохвильової дифракції кути падіння g0 і відбивання
gh Х-променів, а відповідно і глибина екстинкції Lext. являються функціями
кутів и, ш, ц тобто:
(2.1)
(2.1)
Рис.2.2 Особливі області азимутальних кутів повороту j при обертанні кристалла
навколо вектора дифракції. г0<0 – випадок дифракції Лауе, г0?0 – випадок
дифракції Брега. В області кутів 0?г0>0 – повне зовнішнє відбивання, в області
0?г0?гкр. – дифракція Брега і ефект повного зовнішнього відбивання Х-променів.
При г0>0, а ц>цкр. (Рис.2.2.) відбувається значне розширення фронту
дифрагованої хвилі і Lext.>0. Це дозволяє отримувати Х-променеві топограми вiд
тонких приповерхневих шарiв монокристалу порiвняно великої площi не
застосовуючи сканування. Власне такий характер змiни Lext. вiдкриває новi
можливостi неруйнуючого пошарового аналiзу структури приповерхневих шарiв.
Граничний кут азимутального сканування ц0,h, при якому відбувається перехід від
дифракції Лауе до дифракції Брега, визначається із умови:
: (2.3)
Відзначимо, що реалізація схем Х-променевої топографії в косонесиметричній
геометрії Брега дає можливість при певних умовах дифракції досліджувати
приповерхневий шар товщиною ~0.01-0.1 мкм. При реалізації косонесиметричної
схеми дифракції стає можливим отримувати різні проекції дефектів на вихідну
поверхню кристала в одному і тому ж рефлексі (hkl). Це дозволяє вибирати
оптимальну геометрію зйомки для найбільш повної інтерпритації дефекта, вивчати
його орієнтаційні і пружні характеристики. З іншої сторони при великих кутах є
можливість реалізувати геометрію Лауе-Брегівської дифракції, тобто геометрію
дифракції Брега від відбиваючих площин, які звичайно використовують для
дифракції по Лауе. Можлива також реалізація ковзаючої геометрії дифракції, що є
особливо важливим при дослідженні гетероепітаксійних систем. Отримуючи криві
гойдання при різних кутах j і q або qкр, (різних Lext.), стає можливим
отримувати інформацію про профіль деформації по глибині плівки, вивчати
розподіл дефо
- Київ+380960830922